[发明专利]具备热交换器的燃气涡轮发动机及其启动方法

说明书

相关申请

本申请要求2011年12月22日申请的日本专利申请2011-280947的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种具备热交换器的燃气涡轮发动机及其启动方法，所述热交换器在涡轮的废气与由压缩机压缩的压缩气体之间进行热交换。

背景技术

近年来，为了燃气涡轮发动机的高效率化，采用具有热交换器的再生循环的机会在增加。燃气涡轮发动机的热交换器要求耐高温高压、高效率并且省空间，例如，使用散热片式、管式等的热交换器(例如，专利文献1、2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5039366号公报

专利文献2：日本专利第5048389号公报

一般地，燃气轮机的启动以短时间进行，启动时由于燃气轮机的废气温度急剧上升，作为较大结构体的热交换器受到大的热冲击。具体地，在燃气涡轮发动机启动时，通过使用了压缩空气的启动器使燃气涡轮发动机旋转，同时，投入燃料点火。在燃烧器刚点火后，热交换器入口的气体温度达到峰值，在热交换器内部，热应力达到最大。由于这样在启动时迎来热应力的峰值，如果反复多次启动，则热交换器的耐久性降低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的是提供一种燃气涡轮发动机及其启动方法，所述燃气涡轮发动机及其启动方法能够限制启动时产生的热交换器的过大的热应力。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机的启动方法是具有压缩机、燃烧器、涡轮、启动装置和热交换器的燃气涡轮发动机的启动方法，所述压缩机压缩进气，所述燃烧器使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧，产生高温高压的燃烧气体，所述涡轮由所述燃烧气体驱动，所述热交换器通过来自所述涡轮的废气对所述压缩气体加热；具备一次暖机工序、二次暖机工序和加速工序，所述一次暖机工序使用所述启动装置将发动机转速保持在部分转速，通过所述压缩气体对所述热交换器暖机，所述二次暖机工序通过在使用所述启动装置保持在所述部分转速的状态下，使所述燃烧器工作，逐渐增加所述废气的温度，由此对所述热交换器暖机，所述加速工序使所述燃烧器的点燃量增加，即，向所述燃烧器供给的燃料供给量增加，同时，使用所述启动装置使发动机转速增加，提速至额定转速。

根据该结构，由于以利用压缩气体进行的一次暖机及利用废气进行的二次暖机这两个阶段进行热交换器的暖机，使热交换器入口的压缩气体的温度逐渐上升，因此能够大幅地限制在启动时产生对热交换器过大的热应力。

在本发明中，所述启动装置优选由兼作通过所述涡轮驱动的发电机的旋转机械构成。根据该结构，通过将变频调速电动机用作启动装置，不需要以往必须的另外的启动器，结构变得简单。

在本发明中，优选地，在所述旋转机械上连接由逆变器及整流器构成的功率转换装置，所述启动装置包含变频调速电动机，所述功率转换装置将所述旋转机械作为启动装置驱动，在所述一次及二次暖机工序中，通过所述变频调速电动机保持在所述部分转速，在所述加速工序中，通过所述变频调速电动机使发动机转速增加，提速至额定转速。根据该结构，由于设置了功率转换装置，即使逐渐提高热交换器入口的压缩气体温度，也能够将转速保持为一定。由此，直至暖机结束，能够将转速保持为一定。此外，以往，通过调整燃料的流量来进行转速控制，由于使用功率转换装置由变频调速电动机进行转速控制，能够将燃料的供给仅用于旋转机械的驱动，因此设计的自由度提高。

在本发明中，所述燃气涡轮发动机也可以是贫燃料吸入燃气涡轮发动机。由于贫燃料吸入燃气涡轮发动机不会频繁启动，因此即使启动时间长，对系统整体的影响也小。贫燃料是例如在煤矿产生的VAM(Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷)、CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷)这样的可燃成分少的燃料，是通过压缩机的压缩也不会点火的燃料。

在本发明中，优选地，在所述二次暖机工序中，通过增加向所述燃烧器供给的燃料供给量，使所述废气的温度逐渐上升。根据该结构，能够以简单的结构进行两个阶段的暖机。

在本发明中，所述燃气涡轮发动机也可以进一步设置在启动时使所述废气升温的辅助燃烧器，在所述二次暖机工序中，通过增加所述辅助燃烧器的点燃量，使所述废气的温度逐渐上升。根据该结构，由于调整辅助燃烧器的点燃量，因此不必考虑主燃烧器在额定状态下的燃烧特性的变化，能够进行辅助燃烧器在点火时及点燃量少的状态下的点燃量的调整。